6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖的合成及應用

陳芝飛，孫志濤，蘆昶彤，王宏偉*，屈 展，馬 驥，何保江

1.河南中煙工業有限責任公司技術中心，鄭州市隴海東路72號 450000

2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術產業開發區楓楊街2號 450001

目前，我國卷煙工業中主要采用甘油、丙二醇和山梨醇等多羥基化合物作為保潤劑，使用此類保潤劑的主要目的在于維持煙絲加工過程中的含水率，提高煙絲的耐加工性能，但上述保潤劑對成品卷煙含水率的維持和吸食舒適度的改善效果并不理想［1-6］。理想的保潤劑應該既能提高卷煙持水能力，同時又可降低煙氣的干燥感和刺激性，改善卷煙感官舒適度。為此，采用D-半乳糖為起始原料，通過引入異丙叉保護基，合成了一種新型多羥基保潤劑——6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖（Ⅴ）［7-12］，并對其物理保潤性能和感官保潤性能進行了初步探索，旨在為此類多羥基保潤化合物的合成與應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

D-半乳糖（99.5%，阿拉丁化學試劑公司）；無水乙醇、二氯甲烷、石油醚、正丁醇、冰乙酸、金屬鈉（AR，天津市凱通化學試劑有限公司）；氫氧化鈉（AR，天津市凱通化學試劑有限公司）；丙酮、甲醇、乙酸乙酯、無水硫酸鈉、鹽酸（AR，煙臺市雙雙化工有限公司）；氯化鈉、濃硫酸（AR，中國宿州化學試劑有限公司）；高錳酸鉀、四氫呋喃（THF）、活性炭（AR，國藥集團化學試劑有限公司）；溴乙酸叔丁酯（99%，南開大學精細化學試劑廠）；NaH（60%）、2,3-二氯-5,6-二氰基-1,4-苯醌（DDQ）（AR，SIGMA-ALDRICH公司）；硅膠（CP，青島海洋化工有限公司）；“黃金葉（大金圓）”品牌卷煙（河南中煙工業有限責任公司）。

Thermo Nicolet Avatar 370紅外光譜儀（美國Nicolet公司）；YRT-3熔點儀（天津大學精密儀器廠）；Bruker Avance AMX-400核磁共振譜儀（美國Bruker公司）；BS200SWE1型電子天平（感量：0.0001 g，北京賽多利斯天平有限公司）；R-215型旋轉蒸發儀、V-700真空泵（瑞士BUCHI公司）；DLSB-20/60℃低溫冷卻循環泵（上海美強儀器設備有限公司）；KDM型調溫電熱套（山東華魯電熱儀器有限公司）。

1.2 方法

1.2.1 6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖的制備

化合物Ⅴ的合成路線見圖1。

1.2.1.1 1,2∶3,4-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅱ）的合成［7-9］

在1000 mL三口燒瓶中，加入18 g D-半乳糖（Ⅰ）和400 mL丙酮，冰水浴冷卻，邊磁力攪拌邊緩慢滴加12 mL濃硫酸。滴加完畢后撤去冰水浴，升溫至25℃左右攪拌反應6 h。反應結束后冰水浴冷卻，然后逐滴加入50 mL預先冷卻的33.3%氫氧化鈉水溶液，直至反應液呈弱堿性，減壓濃縮反應液除去未反應的丙酮。用二氯甲烷萃取（100 mL×3），收集有機相，再用水（50 mL×3）洗滌有機相，無水硫酸鈉干燥，過濾，乙酸乙酯-石油醚重結晶，得20.49 g白色晶體，熔點 120～122℃，產率為78.8%。

1.2.1.2 6-O-（叔丁氧羰基甲基）-1,2∶3,4-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅲ）的合成［10-11］

在500 mL三口燒瓶中加入13 gⅡ和200 mL精制的THF，磁力攪拌使Ⅱ完全溶解，通N2保護。稱取2.86 g含量為60%的NaH并添加至三口燒瓶中，加熱回流攪拌反應30 min，然后冰水浴冷卻，緩慢滴加20 mL溴乙酸叔丁酯，滴加完畢后在此條件下繼續反應2 h。將反應液倒入盛有200 mL飽和食鹽水的分液漏斗中，振蕩至無氣泡后用二氯甲烷（150 mL×3）萃取，合并有機相，再用冰水（100 mL×3）洗滌至中性，無水硫酸鈉干燥，過濾，減壓濃縮。石油醚∶乙酸乙酯=4∶1為洗脫劑柱層析分離，得15.50 g無色透明粘稠狀產物，產率82.9%。

1.2.1.3 6-O-羧甲基-1,2∶3,4-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅳ）的合成

在500 mL三口燒瓶加入6 gⅢ和140 mL甲醇，攪拌使其溶解。冰水浴冷卻，加入140 mL 1.2 mol/L NaOH水溶液，隨后在30℃下反應3 h。二氯甲烷（50 mL×3）萃取反應液，然后用水（50 mL×2）反萃有機相，收集水相，然后在冰水浴條件下緩慢滴加2.5%鹽酸水溶液使顯強酸性（溶液pH為1左右）。然后用二氯甲烷（150 mL×3）萃取水相，水（100 mL×3）洗滌有機相，收集有機相，無水硫酸鈉干燥。過濾，濃縮，得4.815 g無色透明粘稠狀產物，產率為94.23%。

1.2.1.4 6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖（Ⅴ）的合成［12］

在裝有回流冷凝管的50 mL圓底燒瓶中分別加入1 gⅣ，150 mg DDQ和30 mL乙腈水溶液（V乙腈∶V水=9∶1），溫度保持為65℃，磁力攪拌反應3.5 h，反應過程采用薄層色譜法（TLC）監測，展開劑為正丁醇∶冰乙酸∶水=6∶1∶1。反應結束后減壓濃縮去除溶劑，用20 mL水溶解后活性炭脫色，硅膠柱層析分離，洗脫劑與展開劑相同，收集目標組分，減壓濃縮得0.618 g無色透明粘稠狀產物，產率為82.6%。

1.2.2 化合物V物理保潤性能測試

為考察目標產物Ⅴ對卷煙的物理保潤性能，以“黃金葉（大金圓）”空白卷煙為載體，將Ⅴ同D-半乳糖、山梨醇、丙二醇和甘油進行物理保潤性能比較測試研究，分別配制質量分數為10%的上述化合物的水溶液。先將1000 g混合均勻的空白卷煙煙絲置于溫度（22±1）℃，相對濕度（60±2）%環境中平衡48 h。然后等量稱取6份煙絲，每份100 g，向5份煙絲中分別均勻施加2 g上述化合物的水溶液，對照空白樣煙絲施加2 g水。然后將6份煙絲分別置于（22±1）℃，相對濕度（40±2）%的環境中考察其解濕過程，每20 min測試一次，對即時含水率的變化進行分析，考察其物理保潤效果。

2 結果與討論

所有產物的IR和NMR譜分析結果分別見表1和表2。

表1 4種合成產物的IR光譜分析結果

表2 4種合成產物的1H NMR和13C NMR譜分析結果①

2.1 合成方法的選擇與探討

（1）在產物Ⅱ的合成反應中，溫度、溶劑和催化劑用量是影響產率的主要因素。由于本反應為放熱的可逆反應，常溫下即可反應，當溫度過高時，反應向逆方向進行，同時，反應體系在硫酸作用下會發生氧化等副反應，從而使產率降低。在1.2.1.1節中其他反應條件不變的情況下，不同反應溫度的單因素試驗結果（圖2）表明，本反應最佳溫度為25℃。

圖2 反應溫度對化合物Ⅱ產率的影響

另外，丙酮既是反應物，又是反應溶劑，半乳糖在丙酮中的溶解度較低，在反應過程中懸浮于溶液中；直至反應后期，隨著反應的不斷進行，半乳糖逐漸轉化成產物后才能完全溶于溶液中，因此，反應過程中隨著丙酮用量的增加，半乳糖在反應體系中濃度變化不大，但催化劑的濃度會隨之降低，因而當D-半乳糖用量固定時，丙酮用量和催化劑用量的變化是影響反應產率的2個重要因素。其他反應條件不變，不同丙酮用量的單因素試驗結果（圖3）表明，當丙酮用量小于400 mL時，丙酮用量是影響產率變化的主要因素，催化劑用量是次要因素，前者的增加能夠促進反應平衡向右進行，促使產率升高；相反，當丙酮用量達到400 mL以后，后者成為影響產率變化的主要因素，前者成為次要因素，濃硫酸濃度的降低導致了產率的下降。因此，當D-半乳糖用量為0.1 mol時，濃硫酸用量為12 mL，丙酮用量為400 mL，反應溫度為25℃，反應時間為6 h產率最佳。

圖3 丙酮用量對化合物Ⅱ產率的影響

（2）目前，國內外有關6-O-（叔丁氧羰基甲基）-1,2∶3,4-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃半乳糖（Ⅲ）的合成未見報道，本研究對 Shyluk等［10］報道的 3-O-羧甲基-1,2∶5,6-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃葡萄糖甲酯的合成方法進行改進，成功合成了化合物Ⅲ。Shyluk等先用還原劑金屬鈉與1,2∶5,6-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃葡萄糖的活潑羥基氫反應生成鈉鹽，隨后鈉鹽再與溴乙酸甲酯發生親核取代反應生成3-O-羧甲基-1,2∶5,6-二-O-異丙叉基-α-D-吡喃葡萄糖甲酯。由于NaH比金屬鈉還原性強，且金屬鈉在制備和使用過程中均較為繁瑣，因此本研究采用NaH作為還原試劑。實驗結果表明，使用NaH不僅提高了反應速率，還大大提高了產率。但由于NaH很容易與水反應，因此反應溶劑在使用前需要進行精制以除去其中少量的水，并且反應需在氮氣保護下進行。

（3）在化合物V的合成反應中，可采用DDQ［12］、單質碘［13］或濃硫酸脫去糖羥基的異丙叉保護基。當用碘脫保護時，副產物較多，分離復雜；當用濃硫酸作為催化劑時，反應結束后需要通過碳酸鋇去除多余的酸，但由于鋇為有毒重金屬，在產品中會殘留，考慮到安全性，不宜使用濃硫酸進行催化；而DDQ作為一種強氧化劑，在異丙叉基脫保護中具有很好的選擇性，在適當的條件下可完全脫去兩個異丙叉保護基，且反應結束后可使用活性炭和硅膠柱色譜分離除去，操作簡單。

2.2 化合物V的物理保潤性能測試

D-半乳糖、山梨醇、丙二醇、甘油和化合物Ⅴ的物理保潤性能效果見表3。由表3可知，添加化合物Ⅴ、山梨醇、甘油、丙二醇和D-半乳糖5種化合物的煙絲與空白煙絲相比，水分散失速率較緩慢。這是由于多羥基化合物所含有的親水的羥基基團可以和水形成氫鍵而將水束縛起來，延緩了水分的散失，提高了煙絲的物理保潤性能。其中，Ⅴ的物理保潤性能最好，其次是甘油和丙二醇，D-半乳糖和山梨醇最差。

表3 添加5種化合物的煙絲含水率隨平衡時間的變化 （%）

3 結論

（1）以D-半乳糖為起始原料，通過異丙叉基保護基的引入和去保護，合成了6-O-羧甲基-D-吡喃半乳糖（Ⅴ）。本法原料易得、操作簡便。

（2）經過測定添加Ⅴ、D-半乳糖、甘油、丙二醇或山梨醇的煙絲含水率，表明在低濕條件（40%）下，添加Ⅴ的煙絲的保濕能力強于其他保潤劑，Ⅴ的物理保潤性能較好。

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